氣象要素對(duì)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)影響及縱向分區(qū)研究.pdf

1、面對(duì)國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作和競(jìng)爭(zhēng)格局的深刻變化，順應(yīng)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級(jí)的迫切需要，我國(guó)積極倡導(dǎo)構(gòu)建“橫貫東西、縱貫?zāi)媳薄?nèi)暢外通”的綜合運(yùn)輸大通道，在建及擬建寒區(qū)隧道工程日益增多。然而就我國(guó)當(dāng)前寒區(qū)隧道工程運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀而言，隧道凍害頑疾尚未攻破，新建隧道中仍然出現(xiàn)大量滲漏凍害現(xiàn)象。
　　本論文以中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題“寒區(qū)高速鐵路隧道防寒排水設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目為依托，綜合運(yùn)用理論研究、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，建立了寒區(qū)

2、隧道“空氣—襯砌—圍巖”流、固耦合傳熱三維數(shù)值計(jì)算模型，重點(diǎn)探究氣象要素對(duì)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的影響，主要成果及結(jié)論如下:
　　(1)本文在調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)寒區(qū)隧道工程中多物理場(chǎng)之間的強(qiáng)耦合關(guān)系，以空氣、地下水、圍巖、防排水設(shè)施內(nèi)水流場(chǎng)等多個(gè)基本場(chǎng)為骨架，編制了寒區(qū)隧道多場(chǎng)耦合關(guān)系圖;
　　(2)通過(guò)整理、分析瓦房店隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到了瓦房店隧道洞外氣溫隨時(shí)間變化函數(shù)、洞內(nèi)氣溫分布規(guī)律以及洞內(nèi)、外氣溫之間的隨動(dòng)關(guān)系，

3、并結(jié)合隧址周邊環(huán)境特點(diǎn)，分析了瓦房店隧道洞口風(fēng)速、風(fēng)頻與凌源地區(qū)風(fēng)速、風(fēng)頻之間的關(guān)系，結(jié)果表明，地形地貌對(duì)隧址小氣候的形成有重要影響;
　　(3)以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為邊界條件，建立了瓦房店隧道“空氣—襯砌—圍巖”流、固耦合傳熱數(shù)值計(jì)算模型，并對(duì)比計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，驗(yàn)證了該計(jì)算模型的可靠性;
　　(4)通過(guò)理論分析各氣象要素的基本特征及其對(duì)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的影響機(jī)制，提出將多氣象要素與隧道具體條件相結(jié)合，抽象出洞口氣溫、等效自然風(fēng)速兩

4、項(xiàng)氣象要素綜合指標(biāo)作為寒區(qū)隧道流、固耦合傳熱數(shù)值模擬的邊界輸入條件;
　　(5)根據(jù)隧道內(nèi)自然風(fēng)流形成的主導(dǎo)因素不同，提出將寒區(qū)隧道分為自然風(fēng)主導(dǎo)型隧道、熱位差主導(dǎo)型隧道、自然風(fēng)與熱位差共同主導(dǎo)型隧道、大氣氣壓梯度影響型隧道。通過(guò)三維瞬態(tài)非線性分析，得到了隧道洞口最冷月平均氣溫、冬季主導(dǎo)風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)自然風(fēng)主導(dǎo)型隧道溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。在多工況數(shù)值的基礎(chǔ)上，引入多元非線性逐步回歸方法，得到了特定條件下的寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)縱向影響長(zhǎng)度與洞

5、口氣溫、等效自然風(fēng)速之間的非線性回歸表達(dá)式。結(jié)果表明，洞口氣溫與等效自然風(fēng)速對(duì)寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的影響程度均較大，且二者有相互加強(qiáng)的作用，建議寒區(qū)隧道防寒保溫設(shè)計(jì)以洞口氣溫、等效自然風(fēng)速作為氣象要素基本參考指標(biāo)，并結(jié)合圍巖條件、水文條件確定防寒排水設(shè)施類型。
　　(6)初步提出了寒區(qū)隧道縱向防寒分區(qū)的原則和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，并以隧道洞內(nèi)最冷月平均氣溫-3℃位置、最冷日平均氣溫0℃位置作為分區(qū)閾值，將隧道沿縱向分為防寒強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)和無(wú)影響